基于适宜性及障碍因子的高标准农田建设分区——以河南省濮阳县为例

李 婷，吴克宁*，宋 文，路 婕

(1.中国地质大学 (北京)土地科学技术学院，北京 100083；2.河南农业大学 资源与环境学院，河南 郑州 450002)

当前，我国关于基本农田保护或高标准基本农田建设的研究主要集中在建设条件分析[1]、基本农田保护区的划定[2-3]、建设时序的安排[4-6]、保护区布局的优化[7-8]等方面。不同于一般的基本农田，高标准基本农田建设在整治目的、建设内容上发生变化，生态保护与提升成为高标准基本农田建设不可或缺的部分，区域建设方向与重点也应更具针对性。然而当前研究在生态条件和障碍因素方面相对较少，因此，本文引入生态学中的生态位适宜度模型，以数量、质量、生态并重与可持续利用为目标，从农田建设综合适宜性和障碍因子限制性2个维度进行了分析评价，构建了“综合适宜性-障碍因子”建设区划方法，旨在为区域高标准基本农田建设评价与差别化管控提供科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

濮阳县位于河南省东北部，黄河下游北岸，地理坐标在东经114°52′～115°25′，北纬35°20′～35°50′。属黄河冲积平原，地势西高东低，南高北低，自西南向东北倾斜。全县土壤类型为潮土、风砂土。濮阳县跨黄、海两大水系。2012年，全县辖20个乡镇，986个村，全县土地总面积144 158.57 hm2，其中耕地101 984.51 hm2，占全县土地总面积的70.74%。全县生产总值2 100 894万元，全年粮食总产量883 552 t，人均GDP为18 632元。根据濮阳市土地利用总体规划(2010—2020年)，到2020年，基本农田保有量目标为76 323.72 hm2。

1.2 数据来源

数据源包括：1)2012 年1∶1万土地利用变更调查数据、2012年农用地分等成果补充完善调查数据与1∶5 000濮阳县土壤图，提取耕地、自然质量、空间形态等信息；2)覆盖项目区的2012年Landsat-7遥感影像，提取林网数据；3)地方志、各乡镇农业经济报表数据及入村问卷调查，获得农户人均收入水平；4)濮阳县土地利用总体规划(2010—2020 年)资料。

1.3 评价方法

高标准基本农田建设布局一方面受耕地自然质量及社会经济的影响，另一方面也与所属区域障碍因子相关，据此，本研究从以下2个维度对高标准基本农田建设布局进行了分析评价：一是农田综合适宜性，从自然质量、田间基础设施、空间形态、生态环境、社会经济5个方面构建综合适宜性指标体系，表征区域建设适宜状况；二是障碍因子限制性，通过障碍因子诊断模型，本着“先易后难”的改造原则，划分障碍因子限制等级。最后对两者耦合分析开展高标准基本农田建设时序分区。

1.3.1 高标准基本农田生态位适宜度评价模型构建 研究借鉴多维超体积生态位[9-11]的概念和赵素霞[12]等提出的高标准基本农田生态位的内涵，将允许或支撑高标准基本农田存在的超体积定义为高标准基本农田生态位。将符合高标准基本农田建设标准的各因子合适阈值，称为最适生态位。研究区域各评价因子的本底状况，称为现实生态位。现实生态位与高标准基本农田生态位的耦合关系，反映了本底状况对高标准基本农田建设的适宜性程度，即生态位适宜度。将高标准基本农田生态位适宜度的取值定义在[0,1]之间。当评价单元完全满足高标准基本农田建设条件时，其生态位适宜度为1。当评价单元完全不满足高标准基本农田建设条件时，其生态位适宜度为0[12]。

影响高标准基本农田建设适宜性的评价因子是多方面的，影响功效具有一定方向性，一般可以分为3类，当评价因子值越大越有利于高标准农田建设时，该类因子为正向因子，其评价模型为

(1)

式(1)中，Si为高标准基本农田中各评价因子i(i∈[1,n])的生态位适宜度；Xi为评价因子i的现实生态位；Diopt为高标准基本农田评价因子i的最适生态位；Dimin为评价因子i的生态位最小值。

适度因子，即因子的值存在一个适宜的区间，值过大或过小都会成为高标准基本农田的限制因素。该类因子评价模型为

(2)

式(2)中，Dimax为评价因子i的生态位最大值。

负向因子，即评价值越小越有利于高标准农田建设。该类因子评价模型为

(3)

高标准基本农田的生态位适宜度模型[13]为

(4)

式(4)中，ωi是评价因子i的指标权重；S为高标准基本农田的生态位适宜度指数。

1.3.2 障碍因子诊断模型的构建 因子贡献度Fi表示单项指标对总目标的影响程度；地块指标偏离度Qi表示单项指标与建设适宜目标之间的差距，即单项指标生态位适宜度指数与最适生态位指数1之差；障碍度Mi和Tj分别表示第i个指标层指标和第j个准则层指标对建设适宜性的影响程度，Ci为村域i内的指标障碍度，ai为斑块面积，Ai为村域面积，具体计算公式[14-15]如下：

Qi=1-Si

(5)

(6)

Tj=∑Mji

(7)

(8)

1.3.3 指标体系及属性值提取 结合高标准农田建设要求，从自然质量、田间基础设施、空间形态、生态环境、社会经济5个方面进行指标的选取，以反映耕地生产潜力、生态安全及工程建设投资能力。其中，自然质量主要反映耕地本底质量，参照农用地分等规程选取表土质地、有机质含量、土壤pH值、盐渍化程度、剖面构型5个指标；田间基础设施是衡量建设难易程度的重要因素，因此选择田间道路通达度、灌溉保证率、排水条件3个测度指标以反映基础设施状况；空间形态主要反映了高标准基本农田集中连片且单片规模较大的要求，因此选取田块规整度、连片度进行刻画；生态环境主要考虑保持和改善耕地生态条件，用生态系统服务价值、防护林覆盖率2个指标来表征高标准基本农田的生态环境稳定性；经济社会条件反映高标准基本农田建设的投资能力，人均收入作为衡量地区居民生活水平的基本指标，可反映该区域标准基本农田建设的投资能力。

指标体系中，表土质地、盐渍化程度、剖面构型、排水条件、灌溉保证率指标属性值参照农用地分等中测算土地的自然质量分的思路进行分级打分。其中，田块规整度借用景观生态学中的分维数 FRAC来表达[16]，该指数理论范围在1.0～2.0，指数越小表示田块形状越规则，反之则田块形状越复杂，故田块规整度是高标准基本农田建设综合适宜性评价的反向因子。然后再按公式(3)计算各评价单元适宜度；农民人均收入是依据濮阳县统计年鉴、乡镇农业经济报表数据，同时实地咨询当地群众，再按公式(1)获得各单元适宜度；生态系统服务价值是借鉴已有研究成果[17]并根据研究区实际情况，确定濮阳县耕地生态系统服务价值系数为8 498.8元/hm2，以谢高地等[18]的价值当量换算方法，最终确定各评价单元的生态系统服务价值。指标属性值提取详见表1。

表1 濮阳县高标准基本农田建设综合适宜性评价指标体系

1.3.4 因子权重的确定 本文采用熵权层次分析模型来确定各因子权重，各指标权重见表1。

确定综合权重公式：

ωj=αωj′+(1-α)ωj″

(9)

其中，ωj是综合权重；ωj′是层次分析法所得权重；ωj″是熵权法所得权重；根据文献[19]讨论结果,取α=0.5。

1.3.5 评价因子最适值的确定 根据《高标准农田建设通则》(GB/T 30600-2014)》和《农用地质量分等规程》(GB/T 28405-2012)确定表土质地、有机质含量、土壤字pH值、盐渍化程度、剖面构型、灌溉保证率、排水条件等指标最适值。耕地连片度最适值333.33 hm2根据农业部颁布实施的《高标准农田建设标准》(NY/T 2148-2012)确定。由于评价因子生态位最适值的确定不仅要考虑建设标准的要求，还要考虑研究区域的现实建设条件水平。根据参考文献[20]的方法，对于正向因子如生态系统服务价值、农民人均收入的最适值选择其现实指标数据的最大值。而适度因子如防护林覆盖率的最适值选择其现实指标数据的平均值。负向因子的生态位适宜度评价模型不涉及因子的最适值，故未确定田间道路通达度、田块规整度的最适值。具体见表1。

2 结果与分析

2.1 濮阳县高标准基本农田建设综合适宜性评价结果

县级高标准农田建设注重实际操作性，要求落实到地块，因此综合适宜性评价以耕地地块为单元[5]。在各因子属性提取后，根据高标准基本农田的生态位适宜度模型，运用栅格计算器得出每块耕地单元的建设适宜性生态位指数。生态位指数越接近1表明建设适宜性越好，反之越差。计算结果显示，濮阳县高标准基本农田建设综合适宜性生态位适宜度指数处于0.56～0.95，使用Natural Breaks将评价区域划分为3个适宜等级。评价结果如表2。

表2 濮阳县高标准基本农田建设综合适宜性评价结果

图1 濮阳县高标准基本农田建设综合适宜性评价Fig.1 Evaluation results of comprehensive suitability of well-facilitied capital farmland in Puyang County

图2 濮阳县高标准基本农田建设障碍度分级Fig.2 Classification of obstacle degree of well-facilitied capital farmland in Puyang County

通过图1分析可知，濮阳县高标准基本农田建设综合适宜性较高区域主要分布在金堤河以南濮阳县以北，在县域周围也有零星分布。面积所占比例相对较大，乡镇包括五星乡、子岸镇、梁庄乡、户部寨镇、梨园乡、王称堌镇等地，主要是由于这些区域耕地自然质量较高，田间基础设施较完善。二级适宜区主要分布在西部、中南部，北部也有一定面积分布，这些区域耕地相对比较规整。而建设综合适宜性较低的三级适宜区域主要分布在交通沿线、乡镇和产业聚集区周边，例如文留镇作为濮阳市工贸示范区，其工业经济发展迅速，工业园区规模较大，耕地地块易被占用。

2.2 高标准基本农田建设障碍因子

由于基本农田建设在实践中一般是以行政村为具体实施单位进行。因此，本研究以行政村为基本单位，采用障碍因子诊断模型公式对濮阳县高标准基本农田的建设障碍因子进行评价。计算结果显示，指标层障碍度为0.038～0.25，准则层障碍度为0.021～0.41。最后根据建设“先易后难”原则，将障碍度改造难度划分为高、中、低3个等级。其中，质地、构型由于响应时间长为高障碍度；有机质、盐渍化、林网密度、生态服务价值、人均收入响应需要一段时间为中等障碍度；pH、通达度、灌溉、排水、规整度、连片度等时间成本较低为低障碍度。评价结果如图2和表3所示。

表3 濮阳县高标准基本农田建设障碍度分级统计

通过计算分析，该区域准则层障碍因子主要是自然质量、生态环境和田间基础设施。其中，低障碍度区域的主要指标层障碍因子为排水条件、道路通达度，其障碍度分别为M排水条件=0.12、M道路通达度=0.18。中等障碍度区域的主要指标障碍因子是防护林覆盖率与有机质，M防护林覆盖率=0.24、M有机质=0.21。表土质地、剖面构型为高障碍度区域的主要指标障碍因子，障碍度分别为M表土质地=0.16、M剖面构型=0.25。

据图2分析，濮阳县高标准基本农田的障碍度多处于低障碍和中等障碍度级别，耕地面积较大，区域分异明显。低障碍度区域大多分布在濮阳县北部和南部，其中习城乡连集村、陈曹楼村、于林村等37个村庄及梨园乡前任寨村、东辛庄村等42个村庄的主导指标障碍因子为道路通达度，清河头乡东清河头村、柳屯镇七娘寨村等69个村庄主导指标障碍因子为排水条件。中等障碍度集中在金堤河以南的濮阳县中部地区，其中防护林覆盖率为五星乡、胡庄镇、户部寨镇等401个村庄的主导指标障碍因子，而鲁河乡顾头村等108个村庄以有机质为主导指标障碍因子，其含量在0.6～1.0 mg/L。西南及中东部地区的郎中乡、文留镇障碍度等级高，其中文留镇中北部前草场村等21个村庄主导指标障碍因子为表土质地，多为砂土。而郎中乡大郎中村、郎中集村等49个村庄及文留镇中南部田庄村等50个村庄主导指标障碍因子为剖面构型。由于该区域剖面构型多为壤/砂/砂的漏水漏肥型，其改造的响应周期在100 a以上[6]，故改造难度大。

2.3 高标准基本农田建设时序分区

图3 濮阳县高标准基本农田建设时序分区 Fig.3 Zoning of time sequence construction of well-facilitied capital farmland in Puyang County

根据以上分析，以行政村为单元，耦合高标准基本农田建设综合适宜性与障碍度评价结果。分区原则为：(1)将属于一级适宜，且为低障碍度等级的行政村划为优先建设区；(2)次优先建设区为不属于三级适宜，且不属于高障碍度等级的行政村区域；(3)有条件建设区域包括2种情况:第一种情况为属于三级适宜且不属于低障碍度等级的行政村，第二种情况为不属于三级适宜但属于高障碍度等级的行政村区域。至此，将研究区986个村划分为3个建设分区类型，如图3所示。

优先建设区包括412个行政村，主要分布在濮阳县的中北部地区的五星乡、鲁河镇、胡壮镇与梁庄乡4个乡镇，此外在西南和东北地区也有部分分布，主要分布在沙窝村、刘高庄村、武寨村等62个村庄。耕地面积46 912.3 hm2，占研究区耕地总面积的46%。建设综合适宜性指数在0.86～0.95，即自然质量与经济社会状况较优。障碍度分析中，各指标层因子障碍度较低。80.12%的表土质地为壤土或黏土，质地良好；土壤有机质、pH值障碍度在0.042～0.063，几乎无限制性；62%的土地构型为壤/黏/黏，无需改良；农民人均收入障碍度0.041～0.056，限制性小。空间形态和生态环境在该区域的准则层障碍度处于0.08～0.12，有一定限制性。较该区域所有指标而言，排水条件与道路通达度限制性最高，其障碍度在0.1～0.22，但改造时间成本较低。综上，该区域的建设适宜性较优，障碍影响程度较低，其主导障碍因子排水条件与道路通达度易于改造。未来重点应开展整治小型水源工程，完善农田灌排渠道，整治农业作业道路，注意合理安排排灌设施的布局，使排水沟与灌溉渠系相分离。田间道路布置应与田、水、林、电、村规划相衔接，合理确定田间道路密度。

次优先建设区包括221个行政村，主要分布在梨园乡与王称堌镇东南部、清河头乡西部及柳屯镇大部分区域。耕地面积23 107.63 hm2，占研究区耕地总面积的22.66%。建设综合适宜性指数在0.78～0.93。土壤有机质、表土质地和人均收入障碍度较优先建设区增大，但均小于等于研究区该3项指标障碍度平均值。田间基础设施障碍度多大于0.16，障碍度较高。空间形态障碍度与优先建设区相当，存在一定限制性。防护林覆盖率障碍度较优先建设区增大，且明显高于研究区其障碍度的平均值，限制性显著。整体来看，多数指标的障碍度增强，特别是防护林覆盖率障碍度增强显著。因此，制约该区域的主导障碍因子为防护林覆盖率、排水条件与道路通达度。在加强基础配套设施的同时，要加强生态防护林的布置与维护，选择良好的乡土树种和适合当地条件的配置方式。

有条件建设区包括353个行政村，主要分布在濮阳县的西南及中东部中北部地区的郎中乡、渠村乡、徐镇镇、文留镇4个乡镇，西北部的城关镇大部分地区也有分布。耕地面积31 964.58 hm2，占研究区耕地总面积的31.34%。该区域包含2种分区情况，第一种为属于三级适宜且不属于低障碍度等级的行政村，其建设综合适宜性指数为0.56～0.78，该区域自然质量较差，有机质含量偏低，平均含量为0.8 mg/L，剖面构型多为砂/黏/砂或壤/砂/砂的漏水漏肥型。田块规整度与人均收入障碍度是三类建设分区中较高的，田间基础设施与生态环境的准则层障碍度较次优先建设区增大。第二种为不属于三级适宜但属于高障碍度等级的行政村区域，其建设综合适宜性指数在0.79～0.89，大部分表土质地为砂土，质地、道路通达度、排水条件、防护林覆盖率及田块规整度的障碍度均高于其他建设区。以上2种情况涉及限制性障碍指标较多，且改造难度较大，需全面整治。具体建设措施包括通过增施有机粪肥等途径，提高土壤肥力；属壤/砂/砂型的县西部下堤滞洪区和黄河背河洼地区可采用机械改土；加强农田整理、基础设施建设与林网防护。

3 结论与讨论

本研究构建了高标准基本农田生态位适宜度评价模型，并从自然质量、田间基础设施、空间形态、生态环境和社会经济5个方面建立了新的建设综合适宜性评价指标体系，得到适宜度指数处于0.56～0.95，建设综合适宜度较高，一、二级耕地面积占耕地总面积的80.5%。基于指标层与准则层的障碍度诊断模型，围绕建设“先易后难”原则，形成三级障碍度评价结果，为高标准农田建设分区提供决策依据。最后，构建了“综合适宜性-障碍因子”建设区划方法，综合考虑建设适宜性与障碍因子限制性将研究区划分为优先建设区、次优先建设区与有条件建设区。优先建设区耕地面积46 912.3 hm2，耕地质量与经济社会状况较优，主要障碍因子排水条件与道路通达度易于改造；次优先建设区耕地面积23 107.63 hm2，多数指标的障碍度增强，防护林覆盖率障碍度增强显著，改造难度增加，需加强生态防护林的布置与维护；有条件建设区耕地面积31 964.58 hm2，自然质量较差，限制性障碍指标较多，且改造难度较大，需全面整治。受数据和资料条件限制，仅研究了静态条件下的基本农田建设内容，还应从时间尺度上充分认识、分析城镇演变格局与耕地综合质量间的关系规律，实现该研究体系由静态向动态转变。

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